BAB III
METODE PENELITIAN
3.1
Waktu dan Lokasi Penelitian
Penelitian ini dilakukan di dalam rumah tanaman di Laboratorium Lapangan Leuwikopo dan Laboratorium Lingkungan Biosistem, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Penelitian dilakukan dari bulan Maret 2012 hingga Juni 2012.
3.2
Alat dan Bahan
3.2.1
Rumah tanaman
Rumah tanaman berfungsi untuk melindungi tanaman dari hujan lebat, angin kencang, hama dan penyakit. Rumah tanaman yang digunakan berukuran 6 m x 12 m yang dibangun membujur ke arah utara – selatan dengan bahan atap yaitu plastik PVC transparan 0.02 mm dan dinding terbuat dari kasa kawat dengan lubang 1 mm2. Lantai rumah tanaman dilapisi semen dengan pondasi sedalam 50 cm.
3.2.2
Tangki larutan nutrisi Tangki sebagai penyimpan larutan nutrisi yang telah dipekatkan untuk didistribusikan ke
tanaman. Tangki larutan nutrisi diinsulasi dengan tujuan agar mengurangi adanya pengaruh sinar matahari.
Gambar 4. Tangki larutan nutrisi
3.2.3
Bak tanaman ( chamber ) Chamber merupakan lingkungan tertutup tempat tumbuhnya akar dan terjadi proses
penyemprotan berukuran 1.5
m x 1 m x 1 m. Material chamber dari kayu meranti dengan
densitas kayu 340 kg/m3. Bahan insulasi untuk chamber adalah styrofoam . Tujuan insulasi adalah
untuk mengurangi adanya pengaruh sinar matahari sehingga iklim mikro yang sesuai dengan jenis tanaman dapat dioptimalkan dengan penggunaan chamber. Bagian atas chamber tertutup styrofoam dengan tebal 5 cm yang telah dilubangi sebagai penopang setiap akar tanaman. Posisi
13
pipa dengan panjang 1.5 m terletak melintang sejajar dengan panjang chamber pada ketinggian 0.7 m dari dasar chamber.
Gambar 5. Chamber Aeroponik
3.2.4
Pompa air Pompa air berfungsi untuk mendorong larutan nutrisi dari tangki ke nozzle melalui pipa
PE. Spesifikasi tekanan pompa maksimum 100 psi dengan debit yang dihasilkan pompa 0.4 – 3.6 m3/ hours.
Gambar 6. Pompa Air
3.2.5
Timer Timer berfungsi untuk membantu mengukur durasi waktu penyiraman.
Gambar 7. Timer
14
3.2.6
Pipa PE dan Nozzle
Nozzle ditancapkan pada pipa PE dan berfungsi untuk penyemprotan larutan nutrisi. Spesifikasi nozzle yang digunakan adalah jenis jet spray dengan diameter lubang outlet (atas) nozzle sebesar 0.2 cm, diameter lubang inlet (bawah) nozzle sebesar 0.5 cm dan tinggi nozzle sebesar 2 cm. Arah penyemprotan nozzle berdasarkan cara penempatan posisi nozzle tersebut di sepanjang pipa .
Gambar 8. Nozzle dan pipa PE
3.2.7
Unit pendingin (Chiller) Unit pendingin berfungsi untuk mendinginkan larutan pada tanki larutan nutrisi sehingga
suhu larutan nutrisi dapat dipertahankan.
Gambar 9. Chiller
3.2.8
Hybrid Recorder dan Termokopel Hybrid Recorder digunakan untuk merekam suhu pada titik-titik pengukuran tertentu
yang dihubungkan dengan termokopel.
Gambar 10. Hybrid Recorder
15
3.2.9
Software SolidWorks Software SolidWorks digunakan untuk membangun desain geometri dan melakukan simulasi aliran fluida pada chamber
3.2.10
Personal Computer (PC) PC digunakan untuk proses simulasi menggunakan CFD
3.2.11 Bahan Penelitian Pupuk A dan B sebagai larutan nutrisi, air. Pupuk A meliputi Ca(No3)2.4H2O , Fe- EDTA ( CH2.N(CH2.COO)2FeNa dan Pupuk B meliputi KH2PO4 , KNO3 , MgSO4.7H20 , MnSO4.H2O, H3BO3 , CuSO4.5H2O , (NH4)6Mo7O24.4H2O , dan ZnSO4.7H2O.
3.3 Tahapan Penelitian Tahapan penelitian meliputi persiapan yang terdiri dari pembuatan chamber dan instalasi aeroponik di Laboratorium Leuwikopo. Kemudian, dilakukan setting alat dan instalasi hingga siap digunakan untuk pengambilan data. Tahap penelitian selanjutnya adalah pembuatan larutan nutrisi, pengambilan data parameter lingkungan meliputi suhu lingkungan di dalam chamber sesuai dengan titik-titik pengukuran dan distribusi suhu aliran nutrisi sepanjang pipa. Pengambilan data dilakukan pada saat penyemprotan dan pada saat keadaan pompa mati.
Tahapan selanjutnya adalah pengukuran nilai keseragaman penyemprotan yang meliputi suhu, kecepatan aliran penyemprotan dan tekanan, simulasi dengan menggunakan CFD dan tahap validasi untuk membandingkan antara hasil simulasi terhadap pengukuran. Tahapan penentuan nilai validasi antara
hasil
hasil simulasi terhadap hasil
pengukuran dapat dijelaskan dalam Gambar 11.
Validasi merupakan tahapan penting dalam penelitian karena nilai validasi akan mempengaruhi kelayakan data pengukuran sebagai input simulasi CFD untuk menentukan jarak antar nozzle yang optimum sebagaimana dijelaskan dalam Gambar 12.
16
17
Input hasil validasi
Simulasi jarak antar nozzle 30 cm
Simulasi jarak antar nozzle 40 cm
Empat buah nozzle jet spray
Tiga buah nozzle jet spray
Simulasi jarak antar nozzle 50 cm
Dua buah nozzle jet spray
Pemilihan Jarak antar nozzle optimum Gambar 12. Diagram skematik penentuan pemilihan jarak antar nozzle optimum
3.3.1
Persiapan penelitian
Kegiatan persiapan dilakukan agar proses penelitian berjalan lancar. Kegiatan awal meliputi persiapan alat, bahan dan lahan, sterilisasi chamber, sterilisasi pipa PE, pengecekan nozzle, persiapan pupuk A dan B. Sebelum dilakukan tahapan penelitian, dilakukan perhitungan jarak antar nozzle yang akan digunakan sebagai kontrol simulasi. Jarak tersebut adalah 40 cm dengan ukuran chamber 1.5 m x 1 m x 0.3 m sehingga terdapat tiga nozzle yang akan digunakan sebagai kontrol simulasi.
Pengukuran suhu larutan nutrisi sepanjang pipa PE dan suhu pada titik pengukuran dilakukan dengan menggunakan termokopel yang dihubungkan dengan Hybrid recorder. Skema titik pengukuran di dalam chamber dengan keterangan gambar terlampir (lampiran 1) diperlihatkan pada Gambar 13.
15 cm 15 cm cm 40 cm
40 cm
40 cm
30 cm
Gambar 13. Skema posisi pengukuran di dalam chamber
Tahap penelitian selanjutnya adalah pengukuran nilai keseragaman penyemprotan meliputi pengukuran spesifikasi nozzle dan pipa PE, pengukuran tekanan inlet di pompa dan outlet di setiap nozzle, pengukuran debit penyemprotan larutan nutrisi di setiap nozzle,
18
kemudian dilakukan perhitungan konduktivitas panas yang terjadi di dalam chamber serta pipa PE.
3.3.2
Pengukuran nilai keseragaman penyemprotan
1.
Pengukuran spesifikasi nozzle dan Pipa PE
Nozzle dan pipa PE adalah komponen dari rangkaian instalasi aeroponik. Kedua komponen ini merupakan komponen utama sebagai penentu keseragaman penyemprotan larutan nutrisi. Metode awal yang dilakukan untuk mengukur nilai keseragaman penyemprotan adalah pengukuran spesifikasi nozzle dan pipa PE dengan menggunakan penggaris. Pengukuran spesifikasi untuk pipa meliputi diameter luar pipa, diameter dalam pipa, panjang pipa serta dilakukan perhitungan luas penampang pipa tersebut. Pengukuran spesifikasi untuk nozzle meliputi diameter lubang atas nozzle, diameter lubang bawah nozzle, panjang nozzle serta perhitungan luas penampang lubang outlet nozzle tersebut.
2.
Pengukuran tekanan
Salah satu faktor utama dalam perancangan instalasi aeroponik adalah tekanan yang dihasilkan oleh pompa. Pompa yang digunakan selama penelitian adalah pompa bertekanan maksimal 100 psi atau setara dengan 6.8 atm. Pengukuran tekanan dilakukan dengan menggunakan pressure gauge yang tertera pada pompa untuk mengalirkan larutan nutrisi dari tangki menuju pipa PE. Setelah dilakukan pengamatan nilai tekanan yang digunakan pada pompa maka untuk mengetahui nilai tekanan setiap nozzle pada pipa PE tersebut dilakukan perhitungan menggunakan persamaan penurunan tekanan.
3.
Pengukuran debit dan kecepatan aliran
Pengukuran debit dilakukan untuk mengetahui keseragaman kecepatan aliran penyemprotan pada setiap nozzle. Pengukuran debit dilakukan secara langsung dengan langkah awal melakukan pengukuran volume penyemprotan yang dihasilkan pada setiap nozzle dengan menggunakan gelas ukur dan stopwatch. Dari pengukuran volume dan waktu tersebut diketahui nilai debit dengan persamaan
…………………………………….. (2)
Q = Debit ( m3/ s)
v = Volume air yang dimasukkan ke dalam gelas ukur selama t detik (m3) t = Waktu yang dibutuhkan untuk memasukkan air (menit)
Perhitungan kecepatan aliran pada setiap nozzle dengan menggunakan persamaan 3.
Q=vxA
………………………………………. ( 3 )
Dimana Q = Debit aliran (m3/s) v = Kecepatan aliran ( m/s)A = Luas penampang atas nozzle ( m) A = Luas penampang nozzle ( m2)
19
4. Pengukuran suhu
Pengukuran suhu dilakukan pada chamber aeroponik sesuai dengan titik pengukuran. Pengukuran tersebut bertujuan untuk mengetahui sebaran suhu yang terjadi di dalam chamber pada saat penyemprotan sehingga diketahui kelayakan chamber tersebut untuk digunakan sebagai ruang tanam. Pengukuran suhu dilakukan hanya 30 cm di atas pipa PE atau hanya bagian atas chamber.
Perubahan suhu larutan nutrisi sepanjang pipa PE sangat dipengaruhi oleh kondisi lingkungan. Lingkungan yang dimaksud adalah suhu pipa dan suhu udara di dalam chamber. Larutan nutrisi yang dialirkan dalam pipa akan menyerap panas dari pipa yang disebabkan adanya perbedaan suhu antara larutan nutrisi dengan dinding pipa. Pengukuran suhu dilakukan pada 18 titik yang terdistribusi di dalam chamber dan sepanjang pipa PE. Sistem Aeroponik memilliki siklus pada saat penyemprotan berlangsung dan pada saat tidak terjadi penyemprotan. Pengukuran dan simulasi suhu hanya dilakukan pada saat penyemprotan berlangsung karena skala waktu pada saat tidak terjadi penyemprotan sangat pendek yaitu berkisar antara 2 hingga 5 menit sehingga diasumsikan suhu tidak mengalami perubahan yang fluktuatif.
Pengukuran dilakukan selama empat hari yaitu pada 29 Maret 2012, 30 Maret 2012, 12 April 2012 dan 13 April 2012 pukul 06.00 – 18.00 WIB dengan tujuan untuk mencari suhu yang seragam pada setiap titiknya. Pada saat pengukuran selama empat hari tersebut tidak ada pengubahan perlakuan suhu, hanya terjadi perubahan kondisi cuaca dari keempat hari tersebut yaitu kondisi cerah, berawan, mendung dan hujan.
3.3.3
Pengamatan dan perhitungan konduktivitas panas
Proses perpindahan panas yang terjadi adalah konduksi dan konveksi paksa. Peristiwa konduksi terjadi karena pertukaran energi antar medium-medium berlainan yang bersinggungan secara langsung dan berbeda suhu, yaitu antara dinding chamber atas dengan pipa dan peristiwa konveksi paksa terjadi antara pipa dengan air yang disebabkan oleh gerakan mencampur antara zat padat dan zat cair oleh pompa. Untuk mengetahui nilai pindah panas dari sistem tersebut dapat dihitung dengan mencari nilai bilangan nusselt dengan persamaan aliran laminar pipa pendek sebagai berikut :
Nu = 0.023Re0.8Pr0.4………………………………….................
(8)
Kemudian dari persamaan tersebut dilakukan perhitungan terhadap nilai konveksi dengan persamaan sebagai berikut :
Q” = h (Tp - Tb)………………………………………………….. (5)
3.3.4 Simulasi dengan CFD
Simulasi digunakan untuk menduga sebaran suhu di dalam chamber dan keseragaman larutan nutrisi pada saat penyemprotan berlangsung. Dari hasil simulasi tersebut akan diketahui keefektifan jarak antar nozzle dan pipa untuk memperoleh
20
keseragaman penyemprotan larutan nutrisi sehingga pemilihan jarak antar nozzle yang tepat dapat dilakukan. Metode awal yang digunakan dalam simulasi CFD menggunakan Solidwork adalah pembuatan model 3D yang akan digunakan yaitu chamber dengan tinggi 30 cm, pipa dan nozzle yang sesuai dengan spesifikasi dan material properties keadaan sebenarnya. Penentuan Boundary Condition yaitu dari ujung hulu pipa PE (inlet) ke ujung hilir PE (outlet), sebaran penyemprotan larutan nutrisi dari nozzle, dan ruas dinding yang berdekatan dengan sebaran penyemprotan larutan nutrisi tersebut yaitu
30 cm di atas pipa PE. Input
yang digunakan adalah parameter yang telah dihitung yaitu debit, tekanan, suhu inlet yaitu suhu awal larutan nutrisi melalui pipa PE dan suhu outlet yaitu suhu ujung nozzle dimana larutan nutrisi mulai disemprotkan. Sedangkan output yang diharapkan dari simulasi adalah sebaran panjang penyemprotan (turbulence length), nilai tekanan, nilai kecepatan aliran dan suhu di dalam chamber. Tahap selanjutnya adalah validasi hasil simulasi terhadap hasil pengukuran dari perhitungan dari persamaan-persamaan yang telah dijelaskan. Tahap dari proses simulasi CFD dapat dilihat pada skema di Gambar 14.
Pembentukan geometri dan meshing
Mulai
Pendefinisian material
Pengecekan geometri
Tidak Geometri baik
Tidak
Ya
Pengecekan
Ya Penentuan general setting
Penentuan computational domain, boundary condition, dan goals
Proses numerik (solver)
Iterasi error?
Plot kontur distribusi suhu
Selesai
Gambar 14. Skema tahapan simulasi Computational Fluid Dynamic (CFD)
21
Simulasi dilakukan secara internal sehingga letak computational domain berada di dalam chamber aeroponik. Geometri yang dibuat tidak tepat berada pada titik (0 ,0 ,0) m karena geometri tersebut merupakan hasil assembly dari part pipa PE, chamber dan nozzle. Penjelasan mengenai letak Computational domain instalasi Aeroponik dapat dilihat pada tabel berikut :
Tabel 3. Computational domain instalasi aeroponik Computational
Jarak antar
Jarak antar
Jarak antar
Domain
nozzle 30 cm
nozzle 40 cm
nozzle 50 cm
Xmin
-0.123 m
-0.427 m
-0.489 m
1.367 m
0.534 m
0.476 m
0.136 m
-0.03 m
0.273 m
0.407 m
0.241 m
0.552 m
-0.958 m
-0.764 m
-0.190 m
0.002 m
0.729 M
1.300 M
Xmax
Ymin
Ymax
Zmin
Zmax
3.3.4.1 Input simulasi dan analisa pengaruh jarak antar nozzle terhadap keseragaman suhu, kecepatan, dan tekanan pada saat penyemprotan
Pengukuran suhu pada titik-titik pengukuran di dalam chamber dilakukan selama 4 hari pada pukul 06.00 – 18.00 WIB yaitu pada 29 Maret 2012, 30 Maret 2012, 12 April 2012 dan 13 April 2012. Waktu pengukuran dilakukan selama empat hari karena sudah cukup memperoleh data yang mewakili pada saat hujan, berawan dan cerah. Data yang digunakan untuk simulasi adalah data titik inlet dan outlet saja sedangkan data titik-titik lainnya digunakan sebagai data validasi sebaran suhunya. Data inlet dan outlet yang digunakan untuk simulasi adalah pada saat suhu mengalami titik ekstrim atas (maksimum) dan titik ekstrim bawah (minimum) selama empat hari waktu pengukuran. Titik ekstrim tersebut karena faktor cuaca seperti hujan dan cerah. Pengukuran kecepatan aliran dan tekanan pada ketiga nozzle di dalam chamber dilakukan selama dua hari yaitu pada 12 April 2012 dan 13 April 2012. Perbedaan dari kedua waktu pengambilan data tersebut adalah pengaturan nilai tekanan pompa. Pada 12 April 2012 tekanan pompa yang digunakan adalah 2.04 atm sedangkan pada 13 April 2012 tekanan pompa yang digunakan adalah 2.38 atm. Nilai tekanan yang digunakan sebagai input adalah 2.04 atm karena nilai tersebut yang digunakan pompa untuk kegiatan rutin budidaya aeroponik selama penelitian. Simulasi yang dilakukan adalah simulasi dengan tipe internal sehingga distribusi suhu, kecepatan aliran penyemprotan dan tekanan yang ditunjukkan hanya di dalam chamber dan tidak dipengaruhi oleh kondisi iklim lingkungan luar. Material properties merupakan salah satu nilai input dalam simulasi CFD. Beberapa material properties dalam peralatan instalasi aeroponik adalah sebagai berikut :
22
Tabel 4. Material properties perlengkapan instalasi aeroponik
Jenis Instalasi Aeroponik Pipa Chamber Nozzle Sumber :
Properties Material Density (kg/m )
Shear modulus (Pa)
Tensile Strength (Pa)
thermal conductivity (w/mk)
917*
59400000*
13270000*
0.27**
340*
-
-
0.043**
2100
-
2600000
-
2
PE mediun density Kayu meranti PE high density
* = Engineerng database di solidwork software ** = perhitungan manual berdasarkan suhu *** = Henkel & Pense
Input boundary condition yang digunakan untuk memperoleh hasil simulasi adalah velocity inlet, static pressure setiap nozzle sebagai outlet, dan environment pressure sebagai kondisi tekanan di dalam chamber. Initial condition pada pengkondisian simulasi adalah sama untuk semua pengaturan jarak antar nozzle yaitu suhu ruangan sebesar 28
oC dengan tekanan di dalam ruangan 1 atm. Nilai
tersebut adalah kondisi normal suatu iklim lingkungan tanpa adanya perlakuan. Output yang dihasilkan dari simulasi adalah distribusi suhu, tekanan, kecepatan aliran penyemprotan dan panjang aliran penyemprotan (Turbulence length). Analisis aliran sesuai dengan perhitungan yaitu aliran turbulen karena bilangan Re > 2000 dan tekanan pompa yang cukup tinggi sehingga menyebabkan aliran terdistribusi cepat secara turbulen di dalam pipa hingga pada saat penyemprotan berlangsung. Jarak antar nozzle yang digunakan sebagai simulasi terdiri dari jarak antar nozzle 30 cm yang terdiri dari empat buah nozzle, 40 cm yang terdiri dari tiga buah nozzle dan 50 cm yang terdiri dari dua buah nozzle dengan dimensi panjang pipa PE untuk ketiga jarak tersebut sama yaitu 1.5 m. Instalasi aeroponik yang digunakan dalam penelitian adalah tiga buah nozzle dengan pipa berukuran 1.5 m. Jarak antar nozzle yang digunakan adalah 40 cm sedangkan jarak 30 cm dan 50 cm hanya diramalkan suhu, tekanan dan kecepatan aliran dengan simulasi. Jarak antar nozzle 40 cm digunakan sebagai kontrol simulasi, karena pada jarak tersebut dilakukan pengukuran lapang yang dapat digunakan sebagai kontrol validasi untuk jarak antar nozzle 30 cm dan 50 cm. Jenis dan material nozzle untuk ketiga jarak antar nozzle tersebut adalah sama yaitu jet spray. Identifikasi untuk setiap nozzle adalah nozzle A sebagai nozzle yang berada pada hulu pipa PE atau posisi dekat dengan pompa sedangkan nozzle yang berada di hilir pipa PE adalah nozzle dengan abjad mengikuti nozzle-nozzle sebelumnya yaitu B, C, dan D. Arah penyemprotan nozzle untuk jarak 30 cm, 40 cm dan 50 cm masing-masing memiliki perbedaan. Posisi 1 merupakan penempatan posisi nozzle sejajar dengan pipa dan posisi 2 merupakan penempatan posisi nozzle tegak lurus dengan pipa. Pada jarak 30 cm, arah penyemprotan pada nozzle A dan nozzle B berada di posisi 1 sedangkan arah penyemprotan pada nozzle C dan nozzle D terletak pada posisi 2. Pada jarak 40 cm, nozzle A, B dan C memiliki posisi outlet nozzle yang sama yaitu berada pada Posisi 2. Sedangkan pada jarak antar nozzle 50 cm, posisi arah penyemprotan pada nozzle A berada pada posisi 1 dan pada nozzle B berada pada posisi 2. Pengubahan posisi arah penyemprotan nozzle bertujuan mencari keseragaman penyemprotan.
23
a)
b)
Gambar 15 (a) Posisi 1, Peletakkan nozzle sejajar dengan pipa 15 (b) Posisi 2, Peletakkan nozzle tegak lurus dengan pipa
Posisi 2
Posisi 1
B
A Gambar 16. Jarak penyemprotan pada jarak antar nozzle 50 cm
Posisi 2 D
Posisi 2 C
Posisi 1 B
Posisi 1 A
Gambar 17. Jarak penyemprotan pada jarak antar nozzle 30 cm
3.4 Asumsi yang digunakan 1. Larutan nutrisi yang disemprotkan adalah butiran air sehingga masih dalam satu fase yaitu zat cair 2. Suhu larutan nutrisi yang dialirkan sama dengan suhu larutan nutrisi di dalam pipa 3. Suhu larutan nutrisi yang disemprotkan sama dengan suhu ujung nozzle 4. Simulasi dilakukan dalam keadaan steady 5. Dinding untuk pemodelan diasumsikan hanya 30 cm di atas pipa PE dan terbuka 6. Larutan nutrisi dan air memiliki sifat fisik yang sama 7. Perpindahan panas konveksi antara udara dan pipa diabaikan 8. Perpindahan panas yang terjadi hanya konveksi paksa antara pipa dan larutan nutrisi 9. Pada simulasi, asumsi jarak yang digunakan untuk perancangan jarak antar dalam chamber 1.5 m adalah 30 cm dengan jumlah empat nozzle, 50 cm dengan jumlah dua nozzle dengan standar jarak untuk validasi adalah 40 cm dengan jumlah tiga nozzle. Ketiga jarak antar nozzle tersebut dilakukan perbedaan penempatan posisi nozzle di sepanjang pipa PE
24 18
